6. Утилизация отходов

Система утилизации осуществляет предварительное преобразование отходов до соединений, из которых могут быть получены конечные продукты системы. Так, растения не способны потреблять органические соединения, поэтому органические отходы предварительно минерализуют. В ряде случаев нецелесообразно по энергетическим или массовым соображениям получать нужные вещества непосредственно из каких-либо отходов. Например, кислород энергетически невыгодно получать из углекислого газа. Поэтому с помощью химических реакций можно образовать его соединение с водородом – воду, из которой затем получить кислород электролизом.

Характеристика отходов жизнедеятельности и технических систем

Источником загрязнения среды в подводной лаборатории является человек и различные технические устройства. Концентрация примесей в среде обитания выше предельно допустимой приводит к нарушению жизненных функций, отравлению организма или выходу из строя технических систем.

Система регенерации среды предназначена для удаления или переработки газообразных, жидких и плотных потоков массы: атмосферы гермоотсеков, конденсата атмосферной влаги отсека, мочи, фекалий, санитарно-гигиенических и кухонных вод. Возможны и другие источники отходов.

Атмосфера отсеков является средой, куда поступают отходы. Что касается воды и продуктов питания, то потоки потребляемых компонентов и удаляемых отходов не смешиваются.

Атмосфера загрязняется пылью от одежды, спальных принадлежностей, материалов покрытий оборудования и конструкции отсеков; остатками пищи; частицами кала и мочи, попадающими в отсек при пользовании ассенизационными устройствами. Основными являются эндогенные загрязнения, источником которых является человек.

Также в атмосферу отсека поступают углекислый газ, угарный газ, метан, ацетон, спирты и другие химические соединения.

Следует подчеркнуть, что одним из источников газообразных микропримесей, поступающих в отсек, являются микроорганизмы, живущие в ротовой полости человека, на кожном покрове и в белье.

Примеси, поступающие в атмосферу от конструктивных материалов, определяются составом красок, клея, собственно материалов. Повышение температуры или понижение давления в отсеке увеличивает выделение газообразных примесей.

Практически, все примеси, содержащиеся в атмосфере отсека, попадают в конденсат атмосферной влаги. Он содержит малое количество минеральных растворенных примесей и относительно большое количество органических примесей, до 2500 мг/л. Однако из всех жидких отходов конденсат является наиболее чистым продуктом.

Утилизация газовых дыхательных смесей

Работа глубоководного комплекса осуществляется в автономном режиме.

Дыхательная газовая смесь состоит из гелия, кислорода и азота. Как правило, гелий и кислород доставляют с берега в стандартных 50-литровых баллонах в сжатом виде под давлением 400 атм. А в качестве азота применяют воздух, который сначала очищают от микропримесей и влаги, а затем под давлением 400 атм закачивают в баллоны. Приготовление дыхательной смеси осуществляет специалист-медик, он выставляет на пульте управления процентные соотношения дыхательных газов и отслеживает по газоанализаторам заданные концентраций. Готовая газовая смесь хранится в баллонах под давлением. Затем она подается в гермоотсеки, где водолазы живут и работают.

Глубоководный комплекс включает в себя систему обеспечения жизнедеятельности, которая задаёт и поддерживает в норме параметры среды внутри барокамеры:

• давление – 50 атм;

• температура – 22…24 ⁰С;

• влажность – 60%.

После гермоотсеков утилизированная дыхательная газовая смесь подается в систему очистки. Сначала в блоке осушки из смеси убирают влагу, а затем в процессе адсорбции из нее извлекают углекислый газ и микропримеси (продукты жизнедеятельности).

Затем двухкомпонентная (О₂ и Не) или трёхкомпонентная (О₂, N₂ и Не) дыхательные газовые смеси поступают в блок регенерации гелия, где за счет процесса адсорбции кислород и азот отделяется и выбрасываются в атмосферу, а гелий закачивается в пустые баллоны и может повторно использоваться для приготовления газовой смеси.

Очистка отработанных дыхательных смесей предполагает в первую очередь удаление диоксида углерода. Но в очищаемых газах, наряду с ним, содержится целый «букет» других веществ. Некоторые из них являются продуктами жизнедеятельности людей, другие имеют техногенное происхождение.

Отработанные дыхательные смеси содержат следующие вещества (группы веществ): азот, кислород, гелий (в случае гелий-воздушной дыхательной смеси), диоксид углерода, пары воды, микропримеси. Удаление диоксида углерода носит целевой характер. На любых адсорбентах вода удаляется попутно с диоксидом углерода.

В таблице 3 приведен перечень рассматриваемых компонентов дыхательных смесей и указаны их некоторые физико-химические свойства. Макрокомпоненты смесей и диоксид углерода выделены жирным шрифтом.

Таблица 3

Вещество	Молекулярная масса, г/моль	ПДК, мг/м3	Выделение, мг/сутки.чел
Азот	28
Диоксид азота	40	0,1
Аммиак	17	0,8
Ацетальдегид	44	1,0	0,8
Ацетон	58	5,0	5,7
Гелий	4
Кислород	32
Метанол	32	0,8	1,5
Метилэтилкетон	72
Сероводород	34	0,8
Оксид углерода	28	5,0	113
Диоксид углерода	44	1%	20 – 40 л/ч чел
Этанол	46	10	10

Для всех приведенных в таблице веществ отношение Выделения/ПДК, которое можно рассматривать как меру расходу газа через систему очистки, близко к единице. Исключение составляет монооксид углерода, для которого оно больше 20. Это означает, что расход газа через систему очистки определяется монооксидом углерода и примерно в 20 раз превышает расход, необходимый для полного удаления большинства других примесей. Их концентрация на входе в систему очистки в 20 раз ниже, чем значения, указанные в таблице. Таким образом, исходные концентрации микрокомпонентов должны быть приняты следующими: диоксид азота 0,005, аммиак 0,04, ацетальдегид 0,05, ацетон 0,25, метанол 0,04, сероводород 0,04, этанол 0,5 мг/м³. Для СО концентрация равно ПДК (5 мг/м³). Для диоксида углерода она установлена техническим заданием (1%).

Технологические схемы очистки воздушных дыхательных смесей с использованием регенерируемого цеолита.

Под отработанными дыхательными смесями понимаются газовые смеси, которые использовались при проведении подводных работ. Различаются воздушная и гелий-воздушная дыхательные смеси, кроме основных компонентов, присутствие которых отражено в их названии, содержат диоксид углерода и микрокомпоненты веществ метаболического и

техногенного происхождения.

Т ехнологическая схема блока приведена на рис.43.

Рис.43. Блок очистки воздушной и гелий-воздушной дыхательных смесей

1 - накопительный «мешок», в который поступает отработанная воздушная дыхательная смесь, 2 - то же для гелий-воздушной дыхательной смеси, 3 - первая ступень компрессора, 4 - водоотделитель, 5 - адсорбер-накопитель микропримесей, 6 - блок каталитического дожига углеводородов в сборе, 7 - установка для удаления диоксида углерода в сборе, 8 -вторая ступень компрессора, 9 - баллон для очищенной гелий-воздушной дыхательной смеси, 10 - то же для очищенной воздушной смеси.

Как видно из схемы, основные операции в блоке выполняются при давлении нагнетания первой ступени компрессора, т.е. при 20 атм.

Отработанные дыхательные смеси поступают в накопительные «мешки» 1 или 2. Они сжимаются в первой ступени компрессора 3 и поступают в отделитель водяного конденсата 4 и далее в адсорбер-накопитель 5, в котором из дыхательных смесей извлекаются микропримеси. Вопрос об удалении каждого вещества, входящего в группу микропримесей, нуждается в конкретном обсуждении. В этом случае оно не представлено и принимется, что все микропримеси имеют очень высокий коэффициент распределения (>10⁵ нм³/м² ат), что позволяет удалить их посредством накопления. Остаток микропримесей сжигается в блоке каталитического дожига 6. Окончательная очистка дыхательных смесей происходит в установке 7, которая работает по принципу короткоцикловой безнагревной адсорбции. Очищенные смеси из установки 7 поступают на вторую ступень компрессора 8, дожимаются до 400 ат и закачиваются в баллоны-хранилища 9 или 10. Из них они идут на повторное использование. Диоксид углерода с некоторым количеством дыхательной смеси сбрасывают в атмосферу.

После блока очистки и осушки утилизированная дыхательная газовая смесь, состоящая из кислорода, азота и гелия, поступает в блок регенерации гелия. Применяя метод короткоцикловой безнагревной адсорбции из газовой смеси извлекается гелий, который возвращается обратно в цикл. Смесь, оставшаяся после блока регенерации гелия, в основном состоящая из азота и, в малой степени, кислорода, можно использовать заново.

Утилизация воды

Вода составляет основную массу компонентов среды, потребляемой экипажем. Доля воды как компонента питания около 60%, а с учетом затрат на санитарно-гигиенические и бытовые нужды не менее 70%. Поэтому регенерация воды из отходов резко сократит переменную массу всей системы.

Наиболее чистым отходом является конденсат атмосферной влаги. Его очистка может быть основана на использовании сорбентов, ионообменных смол и активированного угля. На рис. 44 представлена система очистки воды на сорбентах. Конденсат собирается в емкость 5 и проходит через блок колонок очистки 6, 7, 8. В случае проскока примесей вода клапаном 4.3 направляется на повторную очистку, или необходимо провести смену адсорбентов. Получаемая дистиллированная вода насыщается минеральными солями в блоке 9 и консервируется ионами серебра в блоке 10. Подогрев, охлаждение и дозировка воды в блоке 12.

Рис. 44. Система очистки воды на сорбентах:

1 – вентилятор; 2 – конденсатор; 3.1…3.3 – насосы; 4.1…4.5 – клапаны; 5.1, 5.2 – емкости сбора конденсата; 6, 7 – адсорберы катионо- и анионообменные; 8 – адсорберы с активированным углем; 9 – блок минерализации; 10 – блок консервации воды; 11.1, 11.2 – емкости питьевой воды; 12 – блок охлаждения, подогрева и дозирования подачи воды.

Воды в выделениях человека содержится больше, чем ее потребляется (за счет метаболической воды). Поэтому отделение воды от других отходов позволит осуществить замыкание ее круговорота.

Отработанную воду в подводных комплексах целесообразно очищать и частично использовать в ассенизационно-санитарных устройствах, а частично сбрасывать в окружающюю среду. Для этого истользуются пассивные системы очистки (по характеру организации процесса удаления компонентов с границы раздела фаз). Их можно разделить на системы осаждения, фильтрования и дистилляции.

Важным является утилизация органических отходов человека. Моча содержит минеральные и органические соединения, концентрация которых достигает 50 г/л. Такое высокое содержание примесей делает нецелесообразным использование для ее очистки сорбентов, так как их расход настолько возрастает, что переменная масса системы адсорбционной очистки превышает переменную массу системы на запасах.

Дистилляция мочи оди из наиболее разработанных методов очистки. Дистилляция в сочетании с каталитическим окислением примесей в паровой фазе позволяет получить практически пригодную для пищевых целей воду. Существенным недостатком системы являются большие энергозатраты. Действительно, теоретические затраты будут складываться из затрат на подогрев мочи, испарение воды и нагрев паров в каталитическом реакторе до температуры около 300⁰С. Это составит около 5 МДж/чел. в сутки. Если учесть потери тепла в окружающую среду не менее 25 % и нагрев газа-носителя, то потребная мощность системы будет около 300 Вт на человека, из условия ее непрерывной работы. Существенные сложности доставляет необходимость удаления накипи в аппаратах и трубопроводах системы.

Перспективной является электрохимическая система регнерации воды из мочи (рис. 45). процессы минерализации и очистки в ней протекают при обычных температурах, что существенно снижает затраты энергии. Система может содержать блок сорбционной очистки 5, предотвращающий попадание случайных примесей в питьевую воду.

Рис. 45. Система электрохимической очистки мочи:

1 – ассенизационно-санитарное устройство; 2 – емкости сбора мочи; 3 – система электрохимической минерализации мочи; 4 – система электродиализной очистки раствора; 5 – блок адсорбционной очистки; 6 – блок электролитической консервации воды; 7 – блок подачи промывочного раствора.